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INDUC1EUR ~ CULASSE M~GNETIQUE POUR
EQUIPE~MENT DE FAB~ICA IION DE FIBRES DE VERRE
La présen te invention se rapporte à un inducteur à culasse magnétique pour équipement de fabrication de! fibres de verre.
~ a Eabrication de fibres de verre, notamment pour l'isolation thermique, fait en général appel à un équipement comportant 5 essentiellement un centrifugeur dont la paroi latérale est chauffée par un dispositif de chauffage mixte comprenant un dispositif de chauffage principal à brûleurs à ~az, et un chauffage d'appoint par induction .
Etant donné, qu'en particulier, le dispositif de chauffage 10 principal est situé à proximité du centrifugeur et du dispositif de chauffage d'appoint, et qu'il constitue une masse métallique impor-tante, absorbant une partie non négligeable de lIénergie fournie par le dispositif de chauffage d'appoint, le rendement de ce dispositif de chauffage d'appoint est faible, et sa zone d'action utile sur la paroi 15 latérale du centrifugeur est réduite.
La présente invention a pour objet un dispositif permettant d7augmen-ter le rendement du chauffage d'appoint, ainsi que, le cas échéant, sa zone d'action utile, sans pour autant modifier les éléments de l'équipement de fabrication, ni apporter pratiquement 20 aucune gêne au processus de fabrication.
Ie dispositif conforme à l'invention comporte un élément en matériau magnétique de canalisation de flux d'inducteur canalisant au molns une partie du flux de fuite vers le centrifugeur de I'équipement9 ce-t élément magnétique étant peu dissipatif en 25 énergie à la fréquence du courant alimentant l'inducteur, et disposé
à proximité de l'inducteur du dispositif de chauffage d'appoint et à
proximité du dispositif de chauffage principal.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit élément en matériau magnétique est réalisé sous forrne de couronne 30 dont l'axe est pratiquement confondu avec l'axe de rotation du centrifugeur, cette couronne étant disposée entre l'inducteur et le ~ 25 ~
INDUCTOR ~ CYLINDER HEAD ~ GNETIC FOR
TEAM ~ FABRIC MENT ~ ICA IION OF FIBERGLASS
The present invention relates to a cylinder head inductor magnetic for manufacturing equipment! glass fibers.
~ a Manufacture of glass fibers, especially for insulation thermal, generally uses equipment comprising 5 essentially a centrifuge whose side wall is heated by a mixed heating device comprising a main heating with ~ az burners, and additional heating by induction.
Since, in particular, the heating device 10 main is located near the centrifuge and the backup heating, and that it constitutes an important metallic mass aunt, absorbing a significant part of the energy supplied by the backup heater, the performance of this auxiliary heating is weak, and its useful area of action on the wall 15 lateral of the centrifuge is reduced.
The subject of the present invention is a device allowing increase the efficiency of the auxiliary heating, as well as appropriate area of action, without modifying the elements of the manufacturing equipment nor bring practically 20 no disruption to the manufacturing process.
Ie device according to the invention comprises an element in magnetic inductor flow channeling material at least part of the leakage flow to the centrifuge The equipment9 this magnetic element being dissipative in 25 energy at the frequency of the current supplying the inductor, and arranged near the inductor of the backup heater and at near the main heater.
According to a preferred embodiment of the invention, said element made of magnetic material is made under crown form 30 whose axis is practically coincident with the axis of rotation of the centrifuge, this ring being arranged between the inductor and the
2~Q
dispositif de chaufEage pr;ncipal, le diamètre intérieur de cette couronne etant sensiblement égal au diamètre intérieur de l'induc-teur, lui-meme ayant la forme générale d'une couronne.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la 5 description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris cornme exemples non limitatifs, et illustrés par le dessin annexe, sur lequel:
- la figure I est une vue en coupe simplifiée d'un équipement de fabrication de fibres de verre, selon llart antérieur;
- la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1, sur 10 laquelle on a représenté les lignes de flux magnétique engendré par l'inducteur du dispositif de chauffage d'appoint;
- la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2, mais avec le dispositif conforme à l'invention;
- les figures ~ à 6 sont des vues simplifiées et partielles de 15 différents modes de réalisation du dispositif conforme à l'invention;
- la figure 7 est une vue en coupe simplifiée d'un équipement muni du dispositif conforme à l'invention, montrant l'implantation de ce dispositif;
- la figure 8 est un schéma simplifié d'une variante de 20 réalisation de l'élément magnétique de l'invention;
- la figure 9 une vue en coupe simplifiée d'un mode de réalisation avantageux d'un équipement conforme à l'invention.
L'équipement de fabrication de fibres de verre schémati-quement représenté sur la figure 1 est un équipement classique 25 comportant essentiellement un centrifugeur 1 en acier réfractaire spécial très résistant à l'agression du verre et tournant à plusieurs milliers de tours par minute, renfermant un bol métallique 2 dans lequel est acheminé, de :Eaçon non représentée, du verre liquide, ainsi qu'un dispositif 3 de chauffage principal à brûleurs à gaz, et un 30 dispositif de chauf:Eage d'appoint à induction, dont on a schémati-quement représenté l'inducteur 4. Les éléments 1 à 4 sont généra-' ~ lement à symétrie de révolutionO
La partie inférieure du centrifugeur I a un profil légèrementtronconique s'évasant vers le bas, sa paroi latérale 5 étant percée ~2~ 0 d'un très grancl nombre de trous très fins 6 (quelques dizaines par millimè-tre carré) par lesquels est éjecté le verre liquicle, cette paroi latérale étant portée à une temperature de 1000 à 1050~ C environ.
Cette température est obtenue grace à l'action conjuguée cles deux d;spositifs de chauffage 3 et 4, le dispositiE 4 agissant essentiel-lement sur la zone inférieure de la paroi latérale du centrifugeur 1, alors que le dispositif de chauffage principal agit surtout sur la zone supérieure de cette paroi.
L'inducteur 4 de chauffage d'appoint est alimenté en puissance par une source à courant alternatif ayant une fréquence généra-lement comprise entre 1 et 10 kHz, le plus souvent entre 3 et 10 kHz. L'inducteur 4 est réalisé de différentes façons: soit sous la forme d'une couronne, soit sous la forme de plusieurs couronnes alimentées en série ou en parallèle et alignées selon une ou plusieurs génératrices. Afin d'homogéné;ser la température de la paroi per-forée du centrifugeur~ on agit sur les positions relatives des éléments 1, 3 et 49 tout en ménageant suffisamment d'espace autour de la paroi latérale perforée du centrifugeur 1 afin d'assurer I'évacuation des fibres de verre.
Du point de vue électrique, I'inducteur 4 est couplé à deux induits: d'une part, le centrifugeur 1 qui constitue l'induit principal, et d'autre part la partie métallique du dispositif 3, directement placée dans le flux de fuites de l'inducteur 4, et qui constitue de ce fait un induit auxiliaire. Du fait que l'entrefer de l'induit principal, c'est-à-dire la distance le séparant de l'inducteur, ne peut qu'être important pour permettre l'écoulement des fibres de verre, le couplage de cet induit principal par rapport à l'inducteur est assez lâche, et est du meme ordre de grandeur que le couplage de l'induit auxiliaire.
On a représenté sur la figure 2 en traits interrompus les lignes de flux électromagnétique engendré par l'inducteur 4 dans l'équi-pement décrit ci-dessus. On constate que ce flux se déploie large-ment pour se concentrer à la base du dispositif 3, qui est ainsi le siège de pertes par effet ~oule importantes, ainsi qu'à la partie 2~
inEerieure de la paroi perforee 5 du centrifugeur 1. Des mesures de dissipation d'énergie ont montré que lesdites pertes ~oule sont du meme ordre cle grandeur que la ciissipation "utile" de pu~ssance au niveau de la paroi perforée du centrifugeur. On a constaté que le 5 rendement énergétique réel du chauffage d'apport est très faible, de l'ordre de 30 ~~O.
Le dispositif faisant l'objet de la présentle invention a pour rôle d'augmenter ce rendement énergétique par l'amélioration de l'effi-cacité thermique de l'inducteur par rapport à l'induit princ ipal 10 constitué par la paroi perforée 5 du centrifugeur, tout en atténuant corrélativement les pertes dans le dispositif 3. Selon l'invention, ce dispositif améliorant l'efficacité thermique de l'induction est un éléroent 7 (voir figure 3) en matériau magnétique disposé à proxi-mité de l'inducteur 4 et du dispositif 3 de façon à dévier le plus 15 possible de ce dernier le flux d'induction vers la paroi perforée 5 du centrifugeur 1. Bien entendu, cet élément 7 ne doit ni dissiper de puissance, ni etre porté à la saturation, et sa technologie est donc fonction de la fréquence du courant alimentant l'induc~eur.
L'élément 7 forme une couronne axée sur l'axe de rotation du 20 centrifugeur, cette couronne étant continue ou discontinue, et dans ce dernier cas, les discontinultés sont, de préférence, régulièrement espacées. La couronne formée par l'élément 6 a un diamètre intérieur sensiblement égal ou supérieur à celui de l'inducteur 4, afin de ne pas gêner l'écoulement des fibres de verre, et elle est disposée 25 à peu près à mi-chemin entre l'inducteur 4 et le dispositif de chauf fage 3. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 3, les lignes de flux d'inducteur, dans leur trajet entre l'inducteur 4 et le dispositif 3, se concentrent dans l'élément 7, et au lieu d'atteindre le dispositif 3, sont presque toutes déviées vers la paroi 5, dont la zone 30 plus large (dans le sens de la hauteur) que dans le cas de la figure 2 peut recevoir le flux d'induction, ce qui augmente de façon impor-tante (environ 50 %~ l'efficacité du chauffage d'appoint. Ainsi, à
puissance électrique égale, on peut augmenter l'étendue de la zone de la paroi 5 chauffée par induction et augmenter la température de ~Z~SS~:'9~
cette zone d'environ 200~ C, ou bien on peut soit diminuer la puissance électrique Eournie à l'inducteur ou au~menter le diamètre intérieur de ce dernier pour obtenir sensiblement la même étendue de zone chauEfée par induction que dans le cas de la figure l, soit, 5 en conservant la même puissance électrique, diminuer la puissance de chauffage du dispositif 3, ou bien éloigner legèrement ce dernier de l'inducteur pour augmenter encore l'efficacité de l'inducteur, soit encore, en gardant sensiblement les mêmes puissances électriques et de chauffage principal, augmenter la hauteur de la paroi perforée du 10 centrifugeur. Il est, bien entendu, également possible de mettre en oeuvre simultanément plusieurs de ces mesures: par exemple dimi-nution des puissances des deux dispositi~s de chauffage, ou augmen-tation du diamètre intérieur de l'inducteur et diminu tion de la puissance du dispositif 3.
Le matériau constitutif de l'élément 7 doit être peu dissipatif lorsqu'il est le siège d'une induction inférieure à la saturation admise par ce matériau. Lorsque la fréquence du courant alimentant l'inducteur 4 est relativement élevée, c'est-à-dire comprise entre 5 et 10 kHz environ, ou même davantage, ce matériau est de préfé-20 rence du genre "ferrite", à base d'oxydes magnétiques frittés, tels que, par exemple, ceux connus sous les dénominations de 3C6 ou 3C8 de la société PHILIPS. I orsque la fréquence de ce courant est inférieure a environ 5 kHz, on utilise de préférence, pour réaliser I'élément 7, des tôles magnétiques de faible épaisseur, convena-25 blement orientées, du type de celles utilisées pour réaliser lescircuits magnétiques des transformateurs basse fréquence.
On a représenté sur la figure 4 un mode de réalisation de l'élément 7, utilisant des ferrites 8, disposées sur une plaque de base 9 en forme de couronne plane en rnatériau réfractaire, bon isolant 30 électrique et thermique, robuste mécaniquement, comme par exemple un des matériaux connus sous les dénominations de "mica-nite", "asbestolithe", ou "syndanio". ~es ferrites 8 sont de simples bâtons couramment disponibles dans le commerce, en forme de parallélépipèdes rectangles allon~és. Ces bâtons sont disposés radia-* marque de commerce ..~ .
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lement sur le support 9, sur lequel ils peuvent être collés, le cas écheant, à l'aicle d'une colle appropriée. De préférence, ces bâtons sont jointifs du côté de la circonférence intérieure du support 9. Les espaces en forme de coins entre les batons adjacents peuvent 8tre 5 laissés vides ou comblés, soit à l'aide de c:olle ou d'un matériau isolant électrique, soit à l'aide de poudre de ferrite que l'on peut compacter avec un liant approprié. Bien entendu, au lieu d'utiliser les bâtons de ferrite, on peut mouler spécialement l'élément 7 en forme de couronne, mais cela peut être plus onéreux que d'ut;liser 10 des bâtons standards. La réfrigération de l'élément 7 est assurée par une plaque 10 en métal bon conducteur thermique, par exemple du cuivre. Cette plaque 10 est en forme de couronne plane, fendue selon un rayon pour empêcher la formation de courants de Foucault.
Le diamètre intérieur de la plaque 10 est sensiblement le même que 15 celui de la couronne formée sur l'élément 7, tandis que son diamètre extérieur peut être égal ou supérieur à celui de l'élément 7. Un rebord 11 de la plaque 10 peut également, si nécessaire, recouvrir la surface circonférentielle extérieure de l'élément 7 sur au moins une partie de sa hauteur. En variante, le rebord 11 peut être remplacé
20 par une feuille métallique, par exemple en cuivre, distincte de la plaque 10, encerclant l'élément 7, et bien entendu cette feuille doit - être fendue également, selon une génératrice de la surface cylin-drique formée par cette feuille, pour empêcher la formation de courants de Foucault. La plaque 10, et le cas échéant le rebord 11 25 ou ladite feuille métallique, sont avantageusement elles-mêmes réfrigérées par un dispositif 12 echangeur thermique réalisé par exemple à l'aide d'un tube de cuivre soudé ou brasé sur la face supérieure de la plaque 10, et le cas échéant, sur le rebord 11, ce tube étant parcouru par un fluide de refroidissement approprié. ~ien 30 entendu, pour empecher la formation de courants de Foucault dans ce tube, on ne le conforme pas en simple boucle, mais en double "U"
curviligne dont les extremités de deux des branches incurvées sont reliées ensembie, et dont les autres extrémités sont reliées aux conduites d'amenée et d'évacuation de fluide.
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La protection thermique cle la face circonférentielle interne de l'élemellt 7 vis-à-vis clu rayonnement émis par le centrifugeur est assurée par une plaque 13 en forme de portion de cylindre circulaire dont le diamètre extérieur est sensiblement égal au diamètre 5 intérieur de l'élément 7, et dont la hauteur est égale à l'épaisseur de l'élément 7. Cette plaque 13 est avantageusement réalisée avec le même matériau isolant et réEractaire que la plaque ~, et est collée sur cette dernière etlou sur l'élément 7.
Sur la figure 5, on a représenté partiellement une variante du 10 mode de réalisation de la figure 4. Selon cette variante, les ferrites individuelles 15 ont une forme en "L", leur grande branche étant disposée horizontalement, et la petite étant dirigée vers le bas. Ces ferrites 15 sont assemblées de la même façon que les ferrites 8 du mode de réalisation de la figure 4, et sont recouvertes d'une plaque métallique 16 similaire à la plaque 10. Cette plaque 16 peut comporter un rebord 17, et on peut souder sur sa face supérieure un tuyau 18 d'échangeur thermique.
I~e mode de réalisation de la figure 6 est prévu pour coopérer avec un inducteur fonctionnant à une fréquence relativement basse, 20 inférieure à 5 kKz par exemple. L'élément ma~nétique annulaire 19, partiellement représenté sur la figure 6, est réalisé à l'aide de t81es feuilletées rectangulaires disposées parallèlement aux lignes de flux engendrées par l'inducteur, c'est-à-dire radialement. Ces t81es sont avantageusement du même type que celles utilisées pour réaliser les 25 circuits magnétiques des transformateurs basse fréquence clas-siques. Aux basses fréquences, les ferrites seraient facilemènt saturées par le flux d'inducteur, et seraient ainsi le siège de pertes par effet Joule, ce qui serait contraire au but recherche, alors que les tôles magnétiques sont plus difficiles a saturer.
L esdites tôles feuilletées sont isolées électriquement entre elles et assemblées en paquets de t81es 20 contenant chacun une ou plusieurs dizaines de tôles. Les paquets 20 successifs sont disposés sur une plaque de support 21 semblable à la plaque g et sont séparés mutuellement par des plaques 22 en matériau bon conducteur ' ~5~
thermique, par exemple en cuivre. Ces plaques 22, dont la grande surface est rectangulaire ou trapézo;dale, sont en Eorme de coins et sont inserées à force entre les paquets 20 successifs afin d'assurer avec ceux-ci un bon contact thermique. Les plaques 22 arrivent au S niveau des paquets 20 en bas et face au centr;fugeur, mais dépassent de ces paquets en haut et du c8té de la Eace périphérique extérieure de la couronne formée par l'élément 19 (c'est-à dire la face opposée à celle qui est en vis~à-vis du centrifugeur). Du c8té de cette face périphérique extérieure, les plaques 22 sont reliées, par exemple par 10 brasage, à un échangeur thermique 23. Cet échangeur 23 est réalisé
par exemple, comme représenté sur la figure 6, à l'aide d'une plaque métallique 24, avantageusement en cuivre, en forme de portion droite de cylindre circulaire dont la hauteur est sensiblement égale à celle des faces frontales extérieures des plaques 22, et dont le 15 diamètre est tel que cette plaque 24 vienne en contact avec lesdites faces frontales extérieures 22 sur lesquelles elle est brasée. Sur la face extérieure de la plaque 24, on soude un ou plusieurs tubes 25 parcourus par un fluide réfrigérant approprié. Bien entendu, la plaque 24 et les tubes 25 ne forment pas des spires continues, afin 20 de ne pas être les sièges de courants de Foucault.
On a représenté sur la figure 7 un mode de réalisation de l'ensemble inducteur plus élément magnétique de canalisation de - flux particulièrement bien adapté à une exploi tation industrielle dans des conditions dlamhiance difficiles telles que celles que l'on 25 peut rencontrer dans les équipements de production de laine de verre modernes, notamment en ce qui concerne la température au voisinage du centrifugeur. Selon ce mode de réalisation, l'inducteur 4 et l'élément 7 ou 19 ten ferrite ou en tôle feuilletée) sont enfermés dans un coffrage 26 annulaire concentrique à l'axe du 30 centrifugeur 1. Ce coffrage 26 se compose de deux portions droites de cylindres circulaires concentriques 27, 28 de meme hauteur, en matériau réfractaire, bon isolant thermique et électrique, du type de celui utilisé pour réaliser le support 9 du mode de réalisation de la figure 4. Les deux cylindres 27 tintérieur) et 28 textérieur) sont fixés sur un disque annulaire épais 29 réal;sé avec le merne matériau que le leur. Le diamètre intérieur du clisque 29 est égal au diamètre interieur du cylindre 27, et son diamètre extérieur est égal à celui du cylindre 28.
A l'intérieur du cofErage annulaire constitué par les éléments 27 à 29, on dispose l'inducteur 4 et l'élément magnétique 7 (ou 19~.
L'inducteur 4 est fixé sur le cylindre 27. Cet inducteur 4 peu~
comporter plusieurs spires toriques fixées les unes au-dessus des autres, à la base du cylindre 27. L'élément magnétique 7 (ou 19) est 10 disposé à la partie supérieure de ce coffrage, sur un support 30. Ce support 30 est par exemple constitué dlun disque annulaire fixé sur le cylindre 28 et/ou sur le cylindre 27, à une hauteur telle que la partie supérieure de l'élément magnétique arrive au niveau de la face supérieure des cylindres 28 et 27. Le couvercle du coffrage est 15 constitué par un disque métallique (par exemple en cuivre) annulaire fendu (toujours pour empêcher la formation de courants de Foucault) ayant sensiblement les mêmes diamètres que le disque 29. Ce disque 31 est en bon contact thermique avec l'élément 7. Ce disque 31 peut être associé à un cylindre fendu 32, en même métal que lui, 20 entourant la face périphérique exterieure de l'élément 7. Dans le cas où l'élément magnétique est en t81es feuilletées, le couvercle 31 peut venir en contact des plaques 22, et jouer le rôle du dissipateur thermique 24 de la figure 6. On soude sur le couvercle 31 et/ou le cylindre 32 un échangeur thermique 33 du type de ceux des figures 4 25 à 6.
Sur le schéma simplifié de la figure 8, on a représenté un élément magnétique 34 entourant l'inducteur 4 sur toutes ses faces autres que celle en vis-à-vis du centrifugeur 1. Cet élément 34 réalisé en ferrite ou en t81es feuilletées, selon la fréquence du 30 courant d'inducteur. S'il est en ferrite, il peut être soit moulé en une seule pièce, soit réalisé à partir de bâtons de ferrite disposés de facon appropriée, ou de disques annulaires et cle cylindres de ferrite.
Un tel élément magnétique peut avantageusement être disposé dans un coffrage tel que celui représenté sur la figure 7 et il est, bien s~
entendu, associé à un disposit;f de refroidissement tel que 17un de ceux décrits ci-dessus~
Le mode de réalisa tion représenté schématiquement sur la figure 9 utilise un centrifugeur 35 d'un diamètre maximal d'environ 310 mm, tournant autour d'un axe 36. Le centrifugeur 35 coopère avec un inducteur 37, alimenté, dans le cas présent, sous 800 volts à
la fréquence de 10 kHz. L'inducteur 37 comporte une spire inté-rieure 38, en cuivre, à section droite rectangulaire, dont le grand côté est vertical, et trois spires extérieures 39, également en cuivre. Les spires 39 ont également une section droite rectangulaire, mais moins longue que celle de la spire 38. Ces trois spires 39 sont alignées verticalement à faible distance les unes des autres, leurs grands c6tés étant verticaux.
La spire 39 centrale est sensiblement au niveau du milieu de la hauteur de la spire 38, ce milieu étant lui-même sensiblement au niveau du bas du centrifugeur 35. La hauteur (longueur du grand côté
de la section droite3 de la spire 38 est d'environ 60 mm, et cette spire est réalisée soit à partir d'un tube de cuivre, soit à partir d'un profilé plat en cuivre à la surface periphérique duquel on soude un tube 41 parcouru par un liquide de reEroidissement. I es trois spires 39 sont électriquement en série avec la spire 38 L'inducteur 37 est enfermé dans un coffrage annulaire 40, à
section droite rectangulaire, dont la face en vis-à-vis du centri-fugeur 35 est constituée par la spire 38 et dont les autres faces sont constituées de plaques en matériau isolant, par exemple tel que celui utilisé pour les plaques 27 à 29 du mode de réalisation de la figure 7.
Sur la face supérieure du boîtier 40, on dispose une couronne 42 en matériau magnétique, de préférence en ferrite. Cette couronne 42 peut etre réalisée selon l'un des modes de réalisat;on décrits ci-dessus en référence aux figures 4, 5 ou 6. La surface périphérique intérieure de la couronne 42 est protégée thermi-quement par une couronne 43 en matériau isolant, par exemple tel que celui constituant les parties isolantes du boitier 40, la couronne ,~
,~: . .. . ~ , .
~s~
43 ayant sensiblement le même diamètre interieur que la couronne constituée par la spire 38. l~a couronne de ~soufflage ~ est situee au-dessus cle la couronne l~2.
L'un des avantages du mode de réalisation de la figure 9 est 5 que la paroi constituee par la spire 38, en vls-à-vis du centrifugeur 35, n'est pas en matière isolante sur laquelle la fibre cle verre risquerait de s'accrocher en obstruant le passage entre le centri-fugeur et l'inducteur, mais en cuivre sur lequel la fibre n'accroche pratiquement pas.
Bien entendu, si le centrifugeur 35 est plus grand, ou si la fréquence de la tension d'alimentation de l'inducteur est plus basse (par exemple 3kHz), le nombre de spires extérieures de l'inducteur peut être différent, la spire 38 n'étant pas modifiée. Les spires 39 peuvent etre au nombre de 2 ou I ou même ne pas exister.
Des essais effectués avec une installation telle que celle décrite ci-dessus en référence à la figure 9, avec et sans la couronne de ferrite 42 ont donné les résultats suivants (puissance envoyée à
l'inducteur), le centrifugeur ayant un diamètre maximal de 310 mm, pour un même résultat thermique sur la paroi latérale perforée du 20 centrif ugeur:
- sans ferrite: 20 kW
- avec f errite: 1 1 kY~
soit un gain d'énergie proche de 50 %.
De plus, en optimisant les dispositions relatives du dispositif 25 de chauffage principal, de l'inducteur et du centrifugeur, on peut, en envoyant 20 kW à l'inducteur, chauffer à 950~ C les 2/3 de la surface latérale perforée du centrifugeur, au lieu de 1/3 sans ferrite, et dans certains cas, le chauffage par induction peut devenir le chauffage principal, alors que le chauffage à brûleur à gaz 30 devient le chauffage d'appoint.
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main heating device, the inside diameter of this crown being substantially equal to the internal diameter of the inductor tor, itself having the general shape of a crown.
The present invention will be better understood on reading the 5 detailed description of several embodiments, taken as nonlimiting examples, and illustrated by the appended drawing, in which:
- Figure I is a simplified sectional view of equipment the manufacture of glass fibers, according to the prior art;
- Figure 2 is a view similar to that of Figure 1, on 10 which shows the magnetic flux lines generated by the inductor of the backup heater;
- Figure 3 is a view similar to that of Figure 2, but with the device according to the invention;
- Figures ~ to 6 are simplified and partial views of 15 different embodiments of the device according to the invention;
- Figure 7 is a simplified sectional view of equipment provided with the device according to the invention, showing the installation of these measures;
- Figure 8 is a simplified diagram of a variant of 20 realization of the magnetic element of the invention;
- Figure 9 a simplified sectional view of a mode of advantageous production of equipment according to the invention.
Equipment for the production of glass fibers, diagrammatically only shown in Figure 1 is conventional equipment 25 essentially comprising a refractory steel centrifuge 1 special very resistant to the aggression of glass and turning several times thousands of revolutions per minute, enclosing a metal bowl 2 in which is conveyed from: not shown, liquid glass, as well as a main heater 3 with gas burners, and a 30 heating device: Induction auxiliary stage, which is shown diagrammatically only shown inductor 4. Elements 1 to 4 are generally '~ also symmetry of revolutionO
The lower part of the centrifuge I has a slightly tapered profile which widens downwards, its side wall 5 being pierced ~ 2 ~ 0 a very large number of very fine holes 6 (a few tens per square millimeter) through which the liquid glass is ejected, this wall side being brought to a temperature of 1000 to 1050 ~ C approximately.
This temperature is obtained thanks to the combined action of the two d; heating devices 3 and 4, the dispositiE 4 acting essential-Lement on the lower area of the side wall of the centrifuge 1, while the main heater acts mainly on the area upper part of this wall.
The auxiliary heating inductor 4 is supplied with power by an alternating current source having a general frequency between 1 and 10 kHz, most often between 3 and 10 kHz. The inductor 4 is produced in different ways: either under the shape of a crown, or in the form of several crowns supplied in series or in parallel and aligned in one or more generators. In order to homogenize; ser the wall temperature per-drilled centrifuge ~ we act on the relative positions of elements 1, 3 and 49 while leaving enough space around of the perforated side wall of the centrifuge 1 in order to ensure The evacuation of glass fibers.
From the electrical point of view, the inductor 4 is coupled to two armature: on the one hand, the centrifuge 1 which constitutes the main armature, and on the other hand the metal part of the device 3, directly placed in the leakage flow of the inductor 4, and which therefore constitutes makes an auxiliary armature. Because the air gap of the main armature, that is to say the distance separating it from the inductor, can only be important to allow the flow of glass fibers, the coupling of this main armature with respect to the inductor is quite loose, and is of the same order of magnitude as the armature coupling auxiliary.
There is shown in Figure 2 in broken lines the lines electromagnetic flux generated by inductor 4 in the equi-pement described above. We see that this flow is spreading widely-ment to focus at the base of device 3, which is thus the seat of significant ~ oule losses, as well as to the part 2 ~
inside of the perforated wall 5 of the centrifuge 1. Measurements of energy dissipation have shown that said losses are same order of magnitude as the "useful" power dissipation at level of the perforated wall of the centrifuge. It was found that the 5 real energy efficiency of the intake heating is very low, around 30 ~~ O.
The device which is the subject of the present invention has the role of to increase this energy efficiency by improving the efficiency thermal capacity of the inductor compared to the main armature 10 constituted by the perforated wall 5 of the centrifuge, while attenuating correlatively the losses in the device 3. According to the invention, this device improving the thermal efficiency of induction is a eléroent 7 (see figure 3) made of magnetic material placed near mite inductor 4 and device 3 so as to deviate the most 15 possible from the latter the induction flow to the perforated wall 5 of the centrifuge 1. Of course, this element 7 must neither dissipate power, nor be brought to saturation, and its technology is therefore function of the frequency of the current supplying the inductor.
Element 7 forms a crown centered on the axis of rotation of the 20 centrifuge, this ring being continuous or discontinuous, and in the latter case, the discontinuities are preferably regularly spaced. The crown formed by element 6 has a diameter interior substantially equal to or greater than that of inductor 4, so not to obstruct the flow of the glass fibers, and it is arranged 25 approximately halfway between inductor 4 and the heating 3. In this case, as shown in Figure 3, the inductor flow lines, in their path between inductor 4 and the device 3, concentrate in element 7, and instead of reaching the device 3, are almost all deflected towards the wall 5, the area of which 30 wider (in the height direction) than in the case of Figure 2 can receive the induction flux, which increases significantly aunt (about 50% ~ the efficiency of the backup heater.
equal electrical power, the area can be increased of wall 5 heated by induction and increase the temperature of ~ Z ~ SS ~: '9 ~
this area of about 200 ~ C, or you can either decrease the electrical power supplied to the inductor or to lie about the diameter interior of the latter to obtain substantially the same extent induction heated zone that in the case of figure l, that is, 5 keeping the same electrical power, decrease the power device 3, or move it slightly away inductor to further increase the efficiency of the inductor, again, keeping substantially the same electrical powers and main heating, increase the height of the perforated wall of the 10 centrifuge. It is, of course, also possible to set implements several of these measures simultaneously: for example nution of the powers of the two heating arrangements, or increased tation of the inside diameter of the inductor and reduction of the device power 3.
The material of element 7 must be dissipative when it is the seat of an induction lower than the allowed saturation by this material. When the frequency of the supplying current inductor 4 is relatively high, that is to say between 5 and around 10 kHz, or even more, this material is preferably 20 rence of the "ferrite" type, based on sintered magnetic oxides, such as that, for example, those known as 3C6 or 3C8 from the company PHILIPS. I hen the frequency of this current is less than about 5 kHz, preferably used to achieve Element 7, thin magnetic sheets, suitable 25 clearly oriented, of the type used to make the magnetic circuits of low frequency transformers.
FIG. 4 shows an embodiment of element 7, using ferrites 8, arranged on a base plate 9 in the shape of a flat crown made of refractory material, good insulator 30 electric and thermal, mechanically robust, as for example one of the materials known as "mica-nite "," asbestolithe ", or" syndanio ". ~ es ferrites 8 are simple commercially available sticks, shaped like parallelepipeds rectangles allon ~ és. These sticks are arranged radia-* trademark .. ~.
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Lement on the support 9, on which they can be glued, the case if necessary, apply an appropriate adhesive. Preferably, these sticks are joined on the side of the inner circumference of the support 9. The wedge-shaped spaces between adjacent sticks can be 5 left empty or filled, either with c: olle or a material electrical insulation, either using ferrite powder that can be compact with an appropriate binder. Of course, instead of using ferrite sticks, element 7 can be specially molded in crown shape, but it can be more expensive than using 10 standard sticks. Element 7 is refrigerated by a plate 10 of metal which is a good thermal conductor, for example copper. This plate 10 is in the form of a flat, split crown along a radius to prevent the formation of eddy currents.
The internal diameter of the plate 10 is substantially the same as 15 that of the crown formed on the element 7, while its diameter exterior may be equal to or greater than that of item 7. A
edge 11 of plate 10 can also, if necessary, cover the outer circumferential surface of element 7 on at least one part of its height. Alternatively, the flange 11 can be replaced 20 by a metal sheet, for example copper, separate from the plate 10, encircling element 7, and of course this sheet must - also be split, according to a generator of the cylindrical surface-drique formed by this sheet, to prevent the formation of eddy currents. The plate 10, and where appropriate the flange 11 25 or said metal sheet, are advantageously themselves refrigerated by a heat exchanger device 12 produced by example using a copper tube welded or brazed on the face top of the plate 10, and where appropriate, on the rim 11, this tube being traversed by a suitable coolant. ien 30 understood, to prevent the formation of eddy currents in we do not conform this tube in a single loop, but in a double "U"
curvilinear whose ends of two of the curved branches are connected together, and the other ends of which are connected to fluid supply and discharge lines.
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Thermal protection on the inner circumferential face of the element 7 vis-à-vis the radiation emitted by the centrifuge is provided by a plate 13 in the form of a circular cylinder portion whose outside diameter is substantially equal to the diameter 5 inside of element 7, and whose height is equal to the thickness of element 7. This plate 13 is advantageously made with the same insulating and reactive material as the plate ~, and is glued on the latter and on element 7.
In FIG. 5, a variant of the 10 embodiment of FIG. 4. According to this variant, the ferrites individual 15 have an "L" shape, their large branch being arranged horizontally, and the small one being directed downwards. These ferrites 15 are assembled in the same way as ferrites 8 of the embodiment of Figure 4, and are covered with a plate metallic 16 similar to plate 10. This plate 16 can have a flange 17, and one can weld on its upper face a pipe 18 of heat exchanger.
I ~ e embodiment of Figure 6 is intended to cooperate with an inductor operating at a relatively low frequency, 20 less than 5 kKz for example. The annular element ~ magnetic 19, partially shown in Figure 6, is made using t81es rectangular laminates arranged parallel to the flow lines generated by the inductor, that is to say radially. These t81es are advantageously of the same type as those used to carry out the 25 magnetic circuits of low-frequency transformers class-sics. At low frequencies, ferrites would be easily saturated by the inductor flow, and would thus be the seat of losses by Joule effect, which would be contrary to the aim sought, whereas magnetic sheets are more difficult to saturate.
Said laminated sheets are electrically insulated between them and assembled in packages of t81es 20 each containing one or several dozen sheets. The successive packets 20 are arranged on a support plate 21 similar to plate g and are separated mutually by plates 22 of good conductive material '' ~ 5 ~
thermal, for example copper. These plates 22, including the large surface is rectangular or trapezoidal; dale, have the shape of corners and are inserted by force between successive packets 20 in order to ensure good thermal contact with them. Plates 22 arrive at S level of the packets 20 at the bottom and facing the centr; runaway, but protrude of these packages at the top and the side of the outer peripheral Eace of the crown formed by the element 19 (i.e. the opposite face to that which is opposite ~ to the centrifuge). From the side of this face external device, the plates 22 are connected, for example by 10 brazing, to a heat exchanger 23. This exchanger 23 is produced for example, as shown in Figure 6, using a plate metallic 24, advantageously made of copper, in the form of a portion right circular cylinder whose height is substantially equal to that of the outer front faces of the plates 22, and the 15 diameter is such that this plate 24 comes into contact with said outer front faces 22 on which it is brazed. On the outer face of the plate 24, one or more tubes 25 are welded traversed by an appropriate refrigerant. Of course, the plate 24 and the tubes 25 do not form continuous turns, so 20 not to be the seats of eddy currents.
FIG. 7 shows an embodiment of the inductor assembly plus magnetic channel element of - flow particularly well suited to industrial operations in difficult living conditions such as those one 25 can meet in wool production equipment modern glass, particularly with regard to the temperature at neighborhood of the centrifuge. According to this embodiment, the inductor 4 and element 7 or 19 ten ferrite or laminated sheet) are enclosed in an annular formwork 26 concentric with the axis of the 30 centrifuge 1. This formwork 26 consists of two straight portions of concentric circular cylinders 27, 28 of the same height, in refractory material, good thermal and electrical insulator, of the type of that used to make the support 9 of the embodiment of Figure 4. The two cylinders 27 inside and 28 inside) are fixed on a thick annular disc 29 real; dried with the same material than theirs. The inside diameter of the clisque 29 is equal to the diameter inside of cylinder 27, and its outside diameter is equal to that of cylinder 28.
Inside the annular casing made up of the elements 27 to 29, there is the inductor 4 and the magnetic element 7 (or 19 ~.
The inductor 4 is fixed on the cylinder 27. This inductor 4 can be ~
have several toroidal turns fixed one above the other others, at the base of cylinder 27. The magnetic element 7 (or 19) is 10 disposed at the upper part of this formwork, on a support 30. This support 30 is for example made up of an annular disc fixed on the cylinder 28 and / or on the cylinder 27, at a height such that the upper part of the magnetic element arrives at the upper face of cylinders 28 and 27. The formwork cover is 15 consisting of an annular metal disc (for example copper) split (always to prevent the formation of eddy currents) having substantially the same diameters as the disc 29. This disc 31 is in good thermal contact with the element 7. This disc 31 can be associated with a split cylinder 32, made of the same metal as it, 20 surrounding the outer peripheral face of the element 7. In the case where the magnetic element is in laminated t81es, the cover 31 can come into contact with the plates 22, and play the role of the dissipator thermal 24 of Figure 6. Welded on the cover 31 and / or the cylinder 32 a heat exchanger 33 of the type of those of FIGS. 4 25 to 6.
In the simplified diagram of FIG. 8, a magnetic element 34 surrounding the inductor 4 on all of its faces other than the one opposite centrifuge 1. This element 34 made of ferrite or laminated t81es, depending on the frequency of the 30 inductor current. If it is ferrite, it can either be molded in one single piece, or made from ferrite sticks arranged appropriately, or annular discs and ferrite cylinders.
Such a magnetic element can advantageously be placed in a formwork such as that shown in Figure 7 and it is, well s ~
heard, associated with a cooling device such as a those described above ~
The embodiment shown schematically on the Figure 9 uses a centrifuge 35 with a maximum diameter of approximately 310 mm, rotating around an axis 36. The centrifuge 35 cooperates with an inductor 37, supplied, in this case, at 800 volts at the frequency of 10 kHz. The inductor 37 has an integrated coil 38, copper, rectangular cross section, the large of which side is vertical, and three outer turns 39, also in copper. The turns 39 also have a rectangular cross section, but shorter than that of turn 38. These three turns 39 are vertically aligned at a short distance from each other, their large sides being vertical.
The central coil 39 is substantially at the level of the middle of the height of the whorl 38, this medium itself being substantially at level of the bottom of the centrifuge 35. The height (length of the long side of the straight section 3 of the coil 38 is approximately 60 mm, and this turn is made either from a copper tube or from a flat copper profile on the peripheral surface from which a tube 41 through which coolant flows. I am three turns 39 are electrically in series with the coil 38 The inductor 37 is enclosed in an annular formwork 40, at rectangular cross section, the face of which faces the center runaway 35 is formed by the coil 38 and the other faces of which are consisting of plates of insulating material, for example such as that used for plates 27 to 29 of the embodiment of the figure 7.
On the upper face of the housing 40, there is a crown 42 made of magnetic material, preferably ferrite. This crown 42 can be produced according to one of the embodiments;
described above with reference to Figures 4, 5 or 6. The surface inner ring device 42 is thermally protected only by a crown 43 made of insulating material, for example such that that constituting the insulating parts of the case 40, the crown , ~
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43 having substantially the same internal diameter as the crown formed by the coil 38. the ~ blowing ring ~ is located above the crown l ~ 2.
One of the advantages of the embodiment of Figure 9 is 5 that the wall formed by the coil 38, facing the centrifuge 35, is not an insulating material on which the glass fiber key could catch on by obstructing the passage between the center runaway and inductor, but copper on which the fiber does not hang practically not.
Of course, if the centrifuge 35 is larger, or if the frequency of the inductor supply voltage is lower (for example 3kHz), the number of external turns of the inductor may be different, the turn 38 not being modified. The turns 39 may be 2 or I in number or even not exist.
Tests carried out with an installation such as that described above with reference to Figure 9, with and without the crown of ferrite 42 gave the following results (power sent to the inductor), the centrifuge having a maximum diameter of 310 mm, for the same thermal result on the perforated side wall of the 20 centrifuge:
- without ferrite: 20 kW
- with f errite: 1 1 kY ~
or an energy gain close to 50%.
In addition, by optimizing the relative arrangements of the device 25 main heating, inductor and centrifuge, one can, in sending 20 kW to the inductor, heat to 950 ~ C 2/3 of the perforated lateral surface of the centrifuge, instead of 1/3 without ferrite, and in some cases induction heating can become the main heater, while the gas burner heater 30 becomes the backup heater.
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